L’esperimento della luce attraverso la doppia fessura

Rispondere alla domanda “che cos’è la luce?” può dimostrarsi più difficile di quanto pensiamo. Si può descrivere la luce per quello che fa e per come noi interagiamo con questo fenomeno, con i nostri occhi, ma se dovessimo cercare una definizione più generale della luce, comprensibile anche a chi non può vedere, tutto diventa più difficile.

A questa domanda gli scienziati si sono interrogati già da molto tempo. Nel tardo 1600, Newton propose che la luce fosse un flusso di particelle, teoria che venne presentata nel suo trattato sull’ottica (Opticks : or, A treatise of the reflections, refractions, inflections and colours of light). Nello stesso periodo il fisico olandese Huygens propose la teoria secondo la quale invece la luce sarebbe un’onda.

Il dibattito tra le due teorie continuò per molto tempo, fin quando un esperimento provò la fondatezza della teoria della luce come onda, esperimento riprodotto in questo video di Veritasium. Si tratta dell’esperimento della doppia fessura di Thomas Young.

Per riuscire a riprodurre correttamente l’esperimento, Derek Muller ha ottenuto l’accesso agli archivi della Royal Society di Londra per poter leggere le note scritte a mano da Thomas Young nel 1803 che descrivevano l’esperimento decisivo realizzato  per la prima volta nel 1801. “Ho portato alla luce del Sole una carta con due fessure di circa un 1/30 di pollice e ne ho osservato l’ombra sul muro o su altre carte poste a diversa distanza. Oltre alla frangia a ciascun lato dell’ombra, la stessa era divisa da una serie simile di frange parallele ciascuna di dimensioni più piccole”.

Si tratta di un esperimento talmente semplice da poter essere fatto con materiale che ciascuno di voi possiede a casa, ma allo stesso tempo molto delicato da realizzare con la semplice luce del Sole. Per poter coinvolgere diverse persone in questa osservazione Derek ha utilizzato una grossa scatola di cartone sulla quale ha posizionato una targhetta con le due fessure, come descritto nelle note di Thomas Young, e un oculare dal quale poter osservare l’effetto della luce dentro la scatola.

Se immaginiamo la luce come un fascio di particelle, cosa più simile alla nostra esperienza quotidiana di interazione con la luce, è facile prevedere che dall’oculare si dovrebbero due linee luminose che corrispondono alle due fessure. Il risultato è però quello di una una serie di punti luminosi allineati lungo lo spazio proiettato nella parete della scatola opposta alle due fessure. Al centro questi punti sono più luminosi e bianchi, affiancati da altri punti meno luminosi e colorati, come descritto da Thomas Young.

Per poter spiegare questo risultato si può pensare ad una superficie di acqua calma alla quale vengono applicate due fonti di perturbazioni. Con una sola fonte le onde nell’acqua si propagano concentricamente dalla fonte, ma utilizzando due fonti si genera uno schema nel quale quando le due onde si incontrano in modo sincrono, picco con picco, si creano ampiezze d’onda maggiori e quindi punti più luminosi. Se invece le onde di luce si incontrano in modo asincrono, picco con anti-picco, allora le onde si annullano portando a zone d’ombra. Questo è il fenomeno che crea i diversi punti separati da ombre durante l’esperimento della doppia fessura.

Con la luce c’è inoltre una complicazione: la luce visibile è fatta da un’insieme di onde dalla diversa lunghezza d’onda, pertanto mentre al centro le onde di luce arrivano allo stesso punto in modo sincrono i punti sono bianchi, ai lati le diverse lunghezze d’onda arrivano a sincronizzarsi a distanze diverse, creando punti luminosi di diverso colore a diversa distanza.

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